Појачавач класе D

Увод

Појачавачи класе D су они појачавачи код којих се излазни транзистори користе као прекидачи. Када је транзистор искључен,струја кроз њега је нула. Када се транзистор укључи ,напон на њему је мали,у идеалном случају је нула. У сваком случају,дисипација снаге је веома мала. На овај начин се побољшава ефиксност, смањујући потребу за великим напајањем и габаритним хладњацима, што представља велику предност са аспекта примјене у преносивим уређајима који се напајају из батерије.Погрешно се често сматра да „Д“ у називу потиче од ријечи „дигитал“. То није исправно јер се технологија појачавача класе D заснива на аналогним принципима. Не постоји никакво дигитално кодирање сигнала.

До скоро су ови појачавачи били релативно запостављени, али је услиједио пораст њихове популарноси те су почели веома високо да се рангирају. То је због тога што ове појачаваче карактерише висок степен ефикасности са аспекта снаге, виши него код било које друге класе појачавача ,иако их са друге стране карактерису релативно слабе перформансе,које се посебно односе на линеарност карактеристика.

Поља у којима ови појачавачи налазе примјену можемо подијелити у двије категорије: поља високих и ниских снага. Поље ниских снага варира од неколико мW до 5 W, док када се говори у контексту високих снага мисли се на опсег од 80 – 1400W. Ови појачавачи су у домену ниских снага нашли примјену у мобилним телефонима, мини стерео-уређајима, аудио системима за лаптоп рачунаре. Ови уређаји имају напајање које потиче од батерије,па је пажљиво располагање снагом веома битно. Главна примјена појачавача класе D је у производњи значајнијих количина корисне аудио снаге која ће потицати од једне нисконапонске шине за напајање. Добар примјер је Натионал Семицондуцтор ЛМ4671, једноканални појачавач који предаје 2.1W снаге звучнику отпорности 4Ω. Појачавач се напаја са једне шине од 5В,користеци као прекидачку фреквенцију 300 кХз.Ово је релативно низак напон у поређењу са стандардним појачавачима снаге и захтијева такозвану Х-бридге излазну структуру која ће касније бити појашњена. Употреба на пољу великих снага подразумијева примјену у системима кућних биоскопа и сабвуфера. У овим случајевима уређаји се напајају из мреже, па енергетска економичност није приоритетна. Појачавачи класе D се у овим случајевима употребљавају зато што дисипацију своде на минимум,самим тим смањују и потребу за хладњацима. Појачавачи класе D се такође употребљавају у аудио системима за аутомобиле, пружајући могућност за остваривање снаге од 1000 W и преко, на звучницима од 2Ω. У том случају енергетска ефикасност је битна, јер је извор напајања лимитиран акумулатором од 12 V. Постоји и једна међуобласт примјене ових појачавача,мимо двије већ поменуте -она гдје се појачавач напаја из мреже,али даје малу излазну снагу- на примјер стерео-уређај који даје 30 W на 8 Ω по каналу.У овом случају хладњаци су најчешће мали, па се ,елиминишући их,не постиже никаква уштеда на цијени. Напајање ће скоро сигурно бити у виду торуса са мостом у функцији исправљача, те уштеда у цијени избјегавањем ове компоненте, а примјеном појачавача класе D није значајна. Стога примјена појачавача у оваквим случајевима у овом тренутку није оправдана.

Историја

Идеја о основним принципима функционисања појачавача класе D датира још из 1950-их година. Међутим, идеја о комбиновању високих фреквенција и трансформатора са сигналом на излазу вјероватно није била привлачна. Појачавач класе D се први пут јавно појавио у Енглеској. То је био Синцлаир X-10, који је давао 10W снаге. Затим је услиједио X-20 са амбициознијих 20W. Главни проблем тадашње технологије је био тај што су биполарни транзистори давали сувише спор одзив на прекидачку фреквенцију која је била одговарајућа. Овај проблем изазвао је велике губитке који су подривали употребу појачавача класе D. Тек са развојем ФЕТ транзистора са њиховом карактеристиком брзог одзива долази до успона у примјени ових појачавача.

Основни принципи функционисања

Појачавачи који припадају класи D драстично се разликују од оних који припадају класама А,Б и Г. Код класе D не постоје излазне компоненте које раде у линеарном режиму. Умјесто тога оне се укључују и искључују на ултразвучним фреквенцијама ,док се излаз наизмјенично прикључује на напоне напајања. Када се однос трајања позитивног и негативног дијела улазног сигнала мијења, долази и до промјене средње вриједности излазног напона ,при чему до усредњавања долази услед рада филтра нископропусника ,или индуктивности самог звучника. Треба уочити да је излазни сигнал директно пропорционалан напону напајања; не постоји никакво битније одступање од излазног степена,као што је то случај са појачавачима класе Б. Овоме доприноси и употреба негативне повратне спреге. Прекидачке фреквенције се крећу у опсегу од 50 кХз до 1 MHz. Више фреквенције повлаче за собом примјену мањих и једноставнијих филтара ,али и веће губитке и појаву дисторзије.

Класичан метод генерисања побудног сигнала јесте употреба диференцијалног компаратора. Један улаз се побуђује улазним аудио сигналом ,а други тестерастим сигналом на одређеној фреквенцији. Основни модел појачавача класе D је приказан на слици 1 ,док је принцип модулације ширине пулса приказан на слици 2.

Слика 1.

Слика 2.

Када је циљ произвести што је могуће већу снагу из слабог извора напајања као што је 5В, користи се Х-бридге склоп (слике 3.1, 3.2, 3.3). Он омогућава двоструки пролаз сигнала кроз оптерећење и самим тим,теоретски, четвороструку снагу. Такође дозвољава појачавачу пребицавање са једног на други напон напајања без употребе великих кондензатора непоуздане линеарности на излазу. Овај метод се још зове и Бридге-Тиед Лоад, или БТЛ. Употреба два појачавача на излазу захтијева донекле сложенију грађу излазног филтра. Ако се употријеби једноставан двополни филтар приказан на слици 4а, прекидачка фреквенција „заобилази“ оптерећење, али ће проводници који воде до њега довести велики дио средње вриједности сигнала са излаза означеног са ОУТ. Избалансирани филтар је стога често у употреби ,и то у једној од варијанти приказаних на сликама 4б и 4ц. Слика 4д приказује четворополни излазни филтар.

Слика 3.1

Слика 3.3

Посматрајмо појачавач са слике 1. Претпостављамо да важи да је V − = −В +. Појачавач се састоји од компаратора који покреће транзисторе који се понашају као прекидачи. Појачавач има два улаза: на један се доводи тестерасти сигнал, на други аудио сигнал. Фреквенција тестерастог сигнала мора бити знатно виша од фреквенције аудио сигнала. Напон на излазу из компаратора се може записати као:

Вц = −В1 за Вс > Вт Вц = +В1 за Вс < Вт

Овај напон се доводи на улаз у МОСФЕТ-ове .Сваки од појачавача се понаша као порекидач. За Вц= -В1 М1 је укључен док је М2 искључен. Ако је пад напона на М1 занемарљив, важи да је В’о = V +.Слично, за Вц=+В1 ,М2 је укључен, М1 је искључен и важи да је Во'=V-. У пракси постоји пад напона на МОСФЕТ-овима ,тако да је амплитуда напона на излазу нешто мања од амплитуде напона напајања. За случај када је Вс=0, В’ је правоугаона поворка импулса. Филтар нископропусник пропушта ка звучнику средњу вриједност тог сигнала, а то је 0. Слиједи да је Во=о за Вс=0. Елементи Р1 и Ц2 компензује индуктивност звучника, како би филтар на високим фреквенцијама „видио“ отпорничко оптерећење. На лсици 1а су приказани таласни облици сигнала за случај када је Вс има синусни облик. Ради илустрације ,претпоставимо да је фС = 1 кХз а фТ = 20 кХз. Амплитуда синусног сигнала је 0.75Втп. За Вс > 0, трајање правоугаоног импулса се мијења тако да Во’ има позитивну средњу вриједност. Слично за Вс < 0, Во’ има негативну средњу вриједност. За таласни облик Во’ се каже да има модулисану ширину пулса(слика 2). Пасивни филтар који се састоји од Л1 и Ц1 пропушта средњу вриједност Во’, а одстарњује компоненте које се налазе на прекидачкој фреквенцији. Ефективна вриједност појачања се може одредити примјеном једносмјерног напона на улаз, затим рачунањем односа Во’/Вс ,гдје је Во’ средња вриједност сигнала Во’. Ако се повећа Вс, Во’ се линеарно повећава док не достигне вриједност Воп,која одговара граничној позитивној вриједности напона на излазу. Ово се дешава када је Вс=Втп. Слиједи да је појачање к:

к=(Во’)/Вс = Воп/Втп. Преносна функција филтра је:

$Vo/Vo'=1/((s/Wc)+(1/Qc)^{2}*(s/Wc)+1)$

гдје је Wц=2πфц резонантна учестаност а Qц је фактор доброте. Преносна функција појачавача је:

$(Vo1'-Vo2')/Vs=(-Rf*(R3+R4)*(1+s/W1))/(R2*R5*(S^{2}/W1*W2+S/W2+1))$

Да би се постигао минимум дисторзије потребно је да је фреквенција тестерастог сигнала што већа у поређењу са граничном фреквенцијом филтра. Да би се поравиле перформансе појачавача често се примјењује негативна повратна спрега.Улаз операционог појачавача се понаша као интегратор.

Учестаност пола мора бити мања од прекидачке учестаности. Пошто интегратор има велико појачање за DC сигнале он смањује DC офсет на излазу. Појачавачи класе D се често реализују са такозваном бридге конфигурацијом ,у циљу повећања излазне снаге без повећања напона напајања(слика 3.1).

Технологија

Теорија појачавача класе D се може окарактериасти као једноставна и елегантна,али у пракси веома брзо почињу да се јављају различити проблеми. Док ФЕТ транзистори снаге имају скоро бесконачну улазну отпорност гејта, они захтијевају значајнију количину струје да их покреће на вишим фреквенцијама услед изражених капацитивности елемената. ФЕТ-ови, за разлику од биполарних транзистора захтијевају побуду и до неколико волти.То заправо значи да је побудни напон за ФЕТ приказан на слици 1 изнад вриједности позитивног напона шине за напајање. У многим случајевима као решење се користи катодно оптерецење које се напаја споља,а у сврху напајања гејта. Како шине за напајање нису довољне,то су потребна посебна решења. Моћнији појачавачи обично имају Шоткијеве диоде прикључене на шине за напајање,које пригушују повратне импулсе генерисане од стране индуктивног оптерећења. Ово се не реализује само ради заштите излазног степена,већ и ради побољшања ефикасности.

Примјена негативне повратне спреге у сврху редукције дисторзије се додатно компликује услед таласне природе излазног сигнала. Повратна спрега се може спровести са тачке након излазног филтра, или алтернативно са тачке на улазу у филтар ,али се онда мора спровести кроз филтар који ће одстранити прекидачку фреквенцију. У оба случаја филтрирање доводи до фазног помјераја чиме се ограничава употреба негативне повратне спреге, а да притом Нyqуист-ови критеријуми стабилности остану задовољени. Остала могућа побољшања су одабир улазног појачања као и додавање елемената који ће синхронизовати прекидаче у склоповима појачавача, како би се избјегло генерисање нежељених аудио сигнала. На слици 5 се може видјети појачавач који има имплементирана сва ова побољшања.

Слика 5.

Заштита

Сви типови реализације појачавача класе D на тржишту имају уграђене заштитне системе у сврху превенције великих струја и високих температура компоненти. На објављеним шемама појачавача уочава се одсуство заштите од DC офсета. Разумљиво је да постоји мало ентузијазма по питању додатних релеја на стерео-уређајима,зато што постоји могућност да троше више снаге од самог појачавача. Али изненађујућа је чињеница да оваква заштита не постоји ни код појачавача много веће снаге,гдје су проблеми потрошње и величине занемарљиви. Поставља се питање да ли су ови појачавачи заиста поуздани. Већина система са појачавачима класе D има уграђену заштиту у случају прениских напона.Уколико напон напајања падне испод одређене вриједности, може се десити да се гејт не може побудити ,те се самим тим и онемогућује рад ФЕТа,услијед чега долази до претјеране дисипације снаге. Проблем се решава додавањем кола за блокирање рада услед прениских напона. Ово коло онемогућава претјерану потрошњу снаге, додуше све то у стандбy моду.

Излазни филтри

Функција излазних филтара је превенција одавања зрачења на прекидачким фреквенцијама код појачавача који имају спорведене каблове према звучницима,као и побољшање ефикасности. Индуктивност самог калема у звучнику је генерално таква да сама може проузроковати пролаз извјесног дијела енергије сигнала на прекидачкој фреквенцији кроз њу ка маси,на тај начин доводећи до значајних губитака. Док неке реализације појачавача малих снага немају никакав уграђен филтар, већина појачавача класе D посједује секундарни филтар између излаза појачавача и звучника. У неким случајевима се користе и четворополни филтри. Обично се користи Буттерwортх филтар ради добијања максимално равног фреквенцијског одзива.

Микрофони, чак и најједноставнији су далеко од тога да буду окакактерисани као отпорничка оптерећења.Због тога је изненађујуће да постоје произвођачи који дају једначине које описују рад филтра с том претпоставком. Када је потребно користити појачавач прикључен на микрофон непознате импедансе ,филтар може функционисати само на основу тих,прихватљивих, претпоставки због чега постоје варијације и ограничења у фреквенцијском одзиву.

Вриједности индуктивности варирају између 10μХ–50μХ што је значајно више од 1μХ–2μХ ,колико износи индуктивност калемова са ваздушним језгром кориштених у реализацији појачавача класе Б у циљу одржавања стабиности. Дакле,потребно је користити калемове са феритним језгром ,при чему се мора водити рачуна о томе да они не улазе у засићење при максималним вриједностима излазних сигнала.

Излазни филтри (Слика 4.)

Ефикасност

У теорији, ефикасност појачавача класе D је 100%. У пракси,међутим,математичке идеализације не важе, те је у реалности њихова ефикасност између 80% и 90%, за све вриједности излазног сигнала. За веома мале снаге карактеристика ефикасности стрмо опада услијед постојања фиксних губитака у појачавачу чак и када нема излазног сигнала.

Губици у излазном степену се јављају из неколико разлога. Најважнији су:

1)ФЕТ-ови на излазу никада немају нулту отпорност. Вриједност отпорности се креће у опсегу 100 до 200mΩ ,и може се дуплирати при порасту температуре елемената са 0 на 150◦Ц, тј.до максималне радне температуре.

2) Излазни елементи се не укључују и искључују моментално,тј. потребно је одређено вријеме да би се то реализовало. У тренуцима када се ФЕТ-ови укључују и искључују они имају коначну отпорност која опет узрокује Џулове губитке. Од велике је важности што је могуће више смањити такозване “лутајуће” индуктивности у сорсу и дрејну, које узрокују повећање временског интервала потребног за укључивање и искључивање ФЕТ-ова ,као и кракотрајне пренапоне у тренутку укључивања, због чега може доћи до преоптерећења ФЕТ-ова.

3) повратни импусли генерисани од стране индуктивног оптерећења могу да изазову провођење паразитних диода које су саставни дио конструкције ФЕТ-ова. Ове диоде имају релативно дуг период преласка из директног у инверзни режим, због чега протиче више струје него што је потребно. Многи појачавачи класе D у сврху превенције овог проблема имају Шоткијеве диоде прикључене између излаза ФЕТ-а и шина за напајање(слика 5 ). Оне се укључују на нижим напонима од паразитних диода у ФЕТ-овима и на тај начин регулишу повратне импулсе.Такође имају много краћи период преласка из једног у други режим рада.

4)Посљедње, и вјероватно најопасније ,јесте феномен који је познат под именом пробој. Овај термин се односи на ситуацију када један од ФЕТ-ова није престао с провођењем до тренутка када је други почео да проводи. То доводи до практично кратког споја између шина за напајање,због чега долази до ослобађања огромних количина топлоте. Ова ситуација се спречава увођењем такозваног ‘деад-тиме’ кола, које одлаже почетак рада гејта оног ФЕТ-а који тек треба да почне да проводи ,за неко вријеме. Увођење овог кола уноси дисторзију, па се његова примјена своди на минимум. На слици 6 се може видјети график енергетске ефикасности појачавача класе D.

Слика 6.

Литература

Интродуцтион то Елецтроацоустицс анд Аудио Амплифиер Десигн, Сецонд Едитион - Ревисед Принтинг, бy W. Марсхалл Леацх, Јр., публисхед бy Кендалл/Хунт

Цласс D Аудио Амплифиер Басицс,бy Јун Хонда & Јонатхан Адамс